一種關于新型環保單發洗掃車的設計研究

王仁鵬，李溫鋒，馬瑩，朱仰智，王瞳瑋

一種關于新型環保單發洗掃車的設計研究

王仁鵬，李溫鋒，馬瑩，朱仰智，王瞳瑋

（陜西汽車控股集團有限公司 技術中心，陜西 西安 710200）

文章介紹了一種新型環保單發洗掃車，該車以節能減排、智能高效為核心，設計了混合式垃圾箱體、多級離合式動力系統、雙唇式密封、浮動式清掃系統，保證了該車使用功能和性能要求，保證了單發洗掃車節能降耗、排放污染低、作業噪音小、駕乘舒適、連續作業時間長，提高了作業效率，降低了使用維護保養費用。

單發洗掃車；多級離合式動力系統；雙唇式密封；浮動式清掃系統

1 前言

近幾年隨著路面保潔機械化覆蓋率提升，清掃類環衛車銷量逐年增長，市場銷量每年達到1.2萬輛以上（數據來源保險數據），其中洗掃車占比高達70%。洗掃車作為清掃類環衛車的主力車型之一，屬于特種作業車，由于上裝工作部件功耗高、噪音大，目前市場多為雙發動機車型，而單獨驅動上裝作業的輔助發動機遵循非道路移動機械發動機排放標準，目前均為工程三階段排放[1]。2018年8月21日生態環境部為落實《中共中央國務院關于全面加強生態環境保護堅決打好污染防治攻堅戰的意見》和《國務院關于印發打贏藍天保衛戰三年行動計劃的通知》等文件要求，防止非道路移動機械污染大氣環境，保障生態環境安全和人體健康，指導環境管理與科學治污，促進非道路移動機械污染防治技術進步，發布《非道路移動機械污染防治技術政策》公告，要求新生產裝用壓燃式發動機的非道路移動機械，2020年達到國家第四階段排放控制水平，2025年與世界最先進排放控制水平接軌。這就意味著傳統的雙發動機洗掃車即將面臨著上裝發動機排放升級，需增加后處理單元等，使得雙發洗掃車整車布置更加復雜，成本及使用維護保養費用增加，顯然單發動機洗掃車產品技術、成本優勢進一步凸顯，將有更好的市場前景，因此洗掃車單發動機化將成為發展趨勢。

2 新型環保單發洗掃車

為響應“藍天保衛戰”，以及嚴格遵守國家有關安全、技術、質量、環保等法律法規，筆者以節能減排、智能高效為核心，開發了一款新型環保單發洗掃車。該車采用陜汽環衛專用二類底盤，加裝前置清水箱體及混合式垃圾箱體，清水儲存與污水儲存容積占比合理化設計，以及水泵和噴嘴的科學選型匹配，中央浮動式清掃系統參數化作業邊界條件科學設計，使得整車作業效率及性能提升效果顯著，核心性能指標洗掃凈率在車速3～15km/h范圍內達到95%以上，滿足“以克論凈”環衛考核指標要求（作業后達到≯5g/m2）。后門門框設有雙唇發泡密封條且采用可調節鎖緊機構方式鎖緊，作業及轉場過程中無滴漏，不會對環境造成二次污染。卸料采用腹部舉升方式和箱內大流量沖洗裝置，可將箱內垃圾一次全部卸掉，快而干凈。多級離合式動力系統開創性的實現多條動力傳動裝置并聯傳動，每一條動力傳動裝置都可單獨工作，滿足整車各種工況工作需求，傳動系統結構簡單，使得整車能耗最低、排放污染小，傳動過程不需能量相互轉換，使得傳動效率高、故障率低、維修保養成本小。整車結構布置緊湊合理，控制策略方案最優，作業噪音小、駕乘舒適、連續作業時間長；在轉場、作業、卸料等多種工況下均具有出色的經濟性、環保性、可靠性和適應性。其具體結構如圖1所示。

1-環衛專用二類底盤 2-前置清水箱 3-混合式垃圾箱體 4-雙唇式后門密封 5-后防護 6-擋泥板 7-舉升機構 8-浮動式清掃系統 9-多級離合式動力系統 10-側防護

2.1 混合式垃圾箱體

混合式垃圾箱體采用304不銹鋼材料制作，整體多艙體瓦楞型結構，主要由動力艙、清水儲存艙、污水儲存艙、風道、濾網、擋罩等組成。其中清水儲存艙與污水儲存艙的設計，根據瀝青路面污水回收率≥55%，水泥路面污水回收率≥65%的要求[2]，對容積占比合理匹配，保證連續作業時間長。該箱體采用了后置寬濾網的風機通道結構，而且喇叭狀的通道結構更有利于氣力輸送，避免濾網與風機通道銜接部分截面面積相差較大，瞬間提升風速，不利于沉降，同時也避免了污水倒灌現象。混合式垃圾箱總體設計質量輕、強度高、內部空間利用率高，使用壽命長。整車外形及箱體如圖2所示。

圖2 整車外形及箱體

2.2 多級離合式動力系統

多級離合式動力系統采用動力系統（底盤行駛+上裝工作）一體化設計，只需一款發動機就可以滿足驅動整車行駛及上裝工作。行駛動力系統采用“發動機+變速箱+主傳動軸+驅動橋”的技術方案；上裝工作動力系統采用“發動機PTO取力+兩段式傳動軸+主離合器+軸承座（含芯軸）+中間離合器（驅動風機）+副離合器（驅動高壓水泵）”、“變速箱右取力+液壓油泵”以及“變速箱左取力+傳動軸+低壓水泵”的技術方案。該傳動系統為純機械式結構，傳動過程不需能量相互轉換，使得傳動效率高、故障率低。該傳動系統與常規的雙發動機洗掃車動力系統比較，該動力系統結構簡單、功耗低、噪音小、排放污染小，油耗較同噸級雙發車型節油30%以上，噪音較同噸級雙發車型降噪6～7dB。其多級離合式動力系統結構如圖3所示。

1-發動機 2-變速箱 3-液壓油泵 4-傳動軸 5-低壓水泵 6-主傳動軸 7-驅動橋 8-高壓水泵 9-副離合器10-中間離合器 11-軸承座 12-張緊輪 13-混合式消聲器 14-高壓離心風機 15-主離合器 16-兩段式傳動軸

該動力系統的行駛動力系統最優匹配，實現整車正常行駛最大速度為115km/h；實現發動機在經濟轉速區域1200～1800rpm之間工作時，作業行駛速度可控制在3～15km/h，此時發動機PTO輸出扭矩最大，滿足整車作業速度需求及上裝功率需求。

該動力系統的上裝工作動力系統采用多級離合式最優匹配，實現單個工作裝置可單獨工作。在發動機怠速650～750rpm時，變速箱右取力器氣動接合，液壓油泵工作，實現作業準備/結束時吸嘴、掃盤等裝置的升/降，實現卸料時垃圾箱體傾翻/回位、后門啟/閉等；洗車時主離合器、副離合器接合（中間離合器不接合），實現用高壓噴槍洗車時水泵在低轉速區域工作。在發動機轉速850～1200rpm時，中間離合器逐漸完全接合，高壓離心風機正常工作。在發動機轉速1200～1800rpm時，主離合器、中間離合器、副離合器接合，高壓水泵在額定轉速區域工作；同時可選擇變速箱左取力器氣動接合，低壓水泵正常工作。根據路面的垃圾污染程度可以一鍵式選用以下作業模式：濕掃（標掃、強掃）、洗掃（標洗、強洗）、高壓清洗、低壓沖洗等。作業時根據不同的作業工況及環境條件，整車操控可選定速巡航或常規操作兩種模式，合理的發動機工作轉速以及離合器接合轉速控制，保證了動力系統轉動平穩，無機械沖擊，各部件使用壽命長，整車能耗低，排放污染小。

通過對高壓離心風機基于CFD/NVH分析降噪，進而增加混合式消聲器，其結構采用“擴張消聲+孔板消聲+吸音材料”技術方案，使得動力系統作業噪聲降低3～4dB。

2.3 浮動式清掃系統

浮動式清掃系統采用“中置兩掃盤+中置寬吸嘴（含高壓中噴桿）+V型高壓側噴桿”技術方案，通過高壓噴水射流清洗路面，掃盤將垃圾掃入吸嘴吸拾范圍內，利用負壓抽吸原理將垃圾物經過吸筒吸入垃圾箱。清掃系統主要包含掃盤總成和吸嘴總成。其浮動式清掃系統結構如圖4所示。

圖4 浮動式清掃系統

2.3.1掃盤總成

掃盤作業外寬度為≮3.2m（中型車），≮3.5m（重型車），盤刷直徑一般為840～900mm，毛刷磨損量為150～180mm。掃盤作業為了達到良好的清掃效果，將掃盤的刷盤的前傾角設為4°～6°、外傾角設為4°～6°、接地角設為120°、接地點的絕對速度設為6～12m/s，轉速設定為60～120r/min。毛刷材質選用PP/PA6材質，雖不如鋼絲刷毛耐磨，但在清掃的過程中對地面的傷害較小，具有良好的彈性，可以加快垃圾塵粒的拋射速度和距離，提高掃盤的清掃能力；為了適應復雜的作業環境，設定了彈簧浮動避障及復位功能，提升了掃盤適應性和使用壽命。濕掃作業模式為了抑制掃盤揚塵，在盤刷處環繞設置噴射角為110o的噴嘴，利用水霧壓塵，可避免濕掃作業模式刷盤處揚塵。

2.3.2吸嘴總成

吸嘴作業為了達到良好的吸拾效果，吸嘴有效作業寬度設定與掃盤的作業重疊區域量有關，重疊區域量按設計經驗取吸嘴有效作業寬度的10～15%；吸嘴體左、右、前下邊沿離地設為5～10mm，后下邊沿離地設為10～15mm。濕掃作業模式防止產生二次污染，吸嘴的吸筒內對稱設置噴射角為110o的噴嘴，噴霧面覆蓋整個吸筒斷面，噴頭傾斜向下對吸筒內粉塵進行截獲、捕捉，使得濕潤的粉塵聚結成更大體積的顆粒，從而增大其比重，有利于在垃圾箱內沉降。

洗掃作業模式為了達到高壓清洗效果最優，左、右V形側噴桿、吸嘴中噴桿上設置噴射角為50o的噴嘴，左、右V形側噴桿噴嘴離地高度設為270～290mm；吸嘴中噴桿噴嘴離地高度為170～190mm；左、右V形側噴桿、吸嘴中噴桿的噴嘴前傾設置，形成的噴射水幕前傾40～45°，且相鄰噴嘴噴水扇面結合≥20mm，每個噴嘴與所在噴桿軸線呈2～4°夾角，并使水幕成平行直線。

2.4 后門密封結構介紹

后門采用插銷式機構與三點式限位調節機構相結合，雙保險機構使垃圾箱體與后門膠條可靠密封，并配備獨特雙唇式密封結構，多方面配合解決后門密封問題。圖5為后門總成機構及密封設計結構圖。

圖5 后門總成機構及密封設計結構圖

后門通過鎖止板長條孔加調節螺栓和限位板加限位螺栓三點式進行箱體與后門之間的調節，一方面可解決因加工裝配問題導致的后門與箱體的貼合問題；另一方面配合插銷式鎖緊機構可以保證箱體與后門之間密封條的密封效果。

3 主要技術特點

整車的主要技術特點表現在：

（1）混合式垃圾箱體采用304不銹鋼材料制作，整體多艙體瓦楞型結構；

（2）多級離合式動力系統采用動力系統（底盤行駛+上裝工作）一體化設計，只需一款發動機就可以滿足驅動整車行駛及上裝工作；

（3）浮動式清掃系統采用“中置兩掃盤+中置寬吸嘴（含高壓中噴桿）+V型高壓側噴桿”結構，保證洗掃寬度大、吸力強勁、清掃徹底、作業效率高，并具備自動避障及復位功能；

（4）后門采用插銷式機構與三點式限位調節機構相結合，并配備獨特雙唇式密封膠條，多方面解決后門密封問題；

（5）整車系統降噪采用“混合式消聲器+動力倉體粘貼隔音棉”措施，其中混合式消聲器用“擴張消聲+孔板消聲+吸音材料”，使整車作業噪聲降低6～7dB；

（6） CAN總線智能控制技術，實現一鍵式智能化操控，通過屏幕實時顯示車輛操作工況、作業參數、故障信息等，以及監控等視頻功能，使作業狀態一目了然，便于駕駛員操作，維護；

（7）可選配智能水路：根據工作時的環境溫度自動調節洗掃車的水路系統，保證路面不會在低溫（3℃）環境下由于洗掃車噴水或灑水而造成路面結冰現象；

（8）可選配隨距檢測：車輛作業時自動檢測距路邊距離，實時報警提示司機，避免操作過程中出現撞擊V型側噴桿現象。

4 結論

該新型環保單發洗掃車采用混合式垃圾箱體、多級離合式動力系統、雙唇式密封、浮動式清掃系統及CAN總線智能控制技術，有效地降低了整車作業能耗、排放污染及作業噪音，提升了整車作業效率、整車性能及智能化操控水平，提高了整車經濟性、環保性、可靠性和適應性，有效地解決了洗掃車因排放升級帶來的一系列問題。

[1] 李溫鋒,郭佳鵬,王仁鵬.洗掃車動力傳動技術路線分析[J].汽車實用技術,2019(18):117-119.

[2] QC/T 957洗掃車.

A design study on a new type of environmental protection single engine washing and sweeping vehicle

Wang Renpeng, Li Wenfeng, Ma Ying, Zhu Yangzhi, Wang Tongwei

( Shaanxi Automobile Holding Group Co. Ltd., Technology Center, Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper introduces a new environmental protection of the single engine washing and sweeping vehicle, taking energy conservation and emissions reduction, intelligent high efficiency as the core, the design of the hybrid garbage enclosure, multistage clutch type power system, double lip seal, floating cleaning system, ensures the vehicle use function and performance requirements, ensures the single engine washing and sweeping vehicle saving energy and reducing consu -mption, emission pollution, low operating noise, ride comfort, long continuous operation time, improves the working efficiency, reduces the use of maintenance costs.

Single engine washing and sweeping vehicle; Multi-stage clutch power system; Double lip sealed; Floating cleaning system

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.062

U462.1

A

1671-7988(2021)04-201-04

U462.1

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1671-7988(2021)04-201-04

王仁鵬，男，工程師，就職于陜西汽車控股集團有限公司技術中心，現從事專用車整車研發工作。